柴油-原油换热器工艺设计

1、2010 化工学院化工原理课程设计说明书设计题目：柴油 -原油换热器工艺设计1设计任务书1.1 设计题目列管式换热器 ( 原油预热器 ) 的设计1.2 操作条件某炼油厂用柴油将原油预热。柴油和原油的有关参数如下表,两侧的污垢热阻-4 25。均可取 1.72 10 m.K/W，要求两侧的阻力损失均不超过0.3 10Pa温 度 质量流量比 热密 度导热系数粘度物料入口出口kg/m3kg/hkJ/kg. W/m.Pa.s柴油195T2700002.487150.1330.64 10-3原油3075800002.208150.1283.0 10-31.3 设计要求及内容1、查阅文献资料，了解换热设备的

2、相关知识，熟悉换热器设计的方法和步骤；2、根据设计任务书给定的生产任务和操作条件，进行换热器工艺设计及计算；3、根据换热器工艺设计及计算的结果，进行换热器结构设计；4、以换热器工艺设计及计算为基础，结合换热器结构设计的结果，绘制换热器装配图；5、编写设计说明书对整个设计工作的进行书面总结，设计说明书应当用简洁的文字和清晰的图表表达设计思想、计算过程和设计结果。目录1. 概述 .2. 设计标准 .3. 方案设计和拟定 .4. 设计计算 .34584.1确定设计方案 .84.1.1选择换热器的类型 .84.1.2流动空间及流速的测定 .94.2确定物性数据 .94.3计算总传热系数 .94.3.1

3、热流量 .94.3.2平均传热温差 .104.3.3总传热系数 K.104.4计算传热面积 .114.5工艺结构尺寸 .114.5.1管径和管内流速 .114.5.2管程数和传热管数 .114.5.3平均传热温差校正及壳程数 .114.5.4传热管排列和分程方法 .124.5.5壳体内径 .124.5.6折流板 .124.5.7接管 .1314.6 换热器核算134.6.1 热量核算134.6.1.1 壳程对流传热系数134.6.1.2 管程对流传热系数144.6.1.3 传热系数 K154.6.1.4 传热面积 S154.6.2 换热器内流体的流动阻力164.6.2.1管程流动阻力164.6

4、.2.2壳程阻力164.6.2.3换热器主要结构尺寸和计算结果175. 参考文献186. 附录187. 设计小结258CAD图2721. 概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器 , 简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体 , 一种流体温度较高 , 放出热量 ; 另一种流体则温度较低 , 吸收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器 , 它们也是这些行业的通用设备 , 并占有十分重要的地位。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久

5、的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。列管式换热器有以下几种：1）固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈， （或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。32）U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。3

6、) 浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。42. 设计标准（ 1） JB1145-73列管式固定管板热交换器（ 2） JB1146-73立式热虹吸式重沸器（ 3）中华人民共和国国家标准 .GB151-89钢制管壳式换热器 . 国家技术监督局发布， 1989（ 4）钢制石油化工压力容器设计规定（ 5） JBT4715-1992固定管板式换热器型式与基本参数（ 6） HGT20701.8-2000容器、换热器专业设备简图设计规定（ 7） HG20519

7、-92全套化工工艺设计施工图内容和深度统一规定（ 8）中华人民共和国国家标准 JB4732-95 钢制压力容器分析设计标准（ 9）中华人民共和国国家标准 JB4710-92 钢制塔式容器（ 10）中华人民共和国国家标准 GB16749-1997 压力容器波形膨胀节3. 方案设计和拟订根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器中的浮头式换热器；再依据冷热流体的性质， 判断其是否易结垢， 来选择管程走什么， 壳程走什么。在这里，柴油走管程，原油走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密度，比热容，导热系数，黏度。计算出总传热系数，再计算出传热面积。根据管径管内流速，确定传热管数，标准

8、传热管长为6m，算出传热管程，传热管总根数等等。再来就校正传热温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。分别对换热器的热量，管程对流系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度。最后，对传热流体的流动阻力进行计算，如果在设计范围内就能完成任务。根据固定管板式的特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。 U形管式特点： 结构简单， 质量轻，适用于高温和高压的5场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。浮头式特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消

9、除温差应力，应用普遍。我们设计的换热器的流体是油，易结垢，再根据可以完全消除热应力原则我们选用浮头式换热器。根据以下原则： (1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2) 腐蚀性的流体宜走管内， 以免壳体和管子同时受腐蚀， 而且管子也便于清洗和检修。 (3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。 (4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液， 且蒸气较洁净， 冷凝传热系数与流速关系不大。(5)被冷却的流体宜走管间， 可利用外壳向外的散热作用， 以增强冷却效果。 (6)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。 (7) 粘

10、度大的液体或流量较小的流体， 宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低 Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。我们选择柴油走管程，原油走壳程。流体流速的选择：增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一

11、定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计中，根据表换热器常用流速的范围，取管内流速 u1 1.0m / s 。管子的规格和排列方法：选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有25 2.5mm及 19mm两种规格的管子。在这里，选择 252.5mm管子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5 、2、3或6m。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为46( 对直径小

12、的换热器可大些 ) 。在这次设计中，管长选择6m。6管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有 : 管板的强度高； 流体走短路的机会少， 且管外流体扰动较大， 因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。 正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数 ( 较直列排列的 ) 可以适当地提高。在这里选择正方形错列排列。管子在管板上排列的间距( 指相邻两根管子的中心距) ，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取 t=(1.3 1.

13、5)d 2，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即 t (d+6) 。焊接法取 t=1.25d 2。管程和壳程数的确定 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时， 有时会使管内流速较低， 因而对流传热系数较小。 为了提高管内流速， 可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有 1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。根据计算，管程为 6程，壳程为单程。折流挡板：安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高

14、壳程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的 1040，一般取 20 25，过高或过低都不利于传热。 两相邻挡板的距离 ( 板间距 )B为外壳内径 D的 (0.2 1) 倍。系列标准中采用的 B值为 : 固定管板式的有 150、300和 600mm三种，板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。这次设计选用圆缺形挡板。换热器壳体的内径应等于或稍大于( 对浮头式换热器而言 ) 管板的直径。初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。主要构件的选用：（ 1）

15、封头封头有方形和圆形两种， 方形用于直径小的壳体 ( 一般小于 400mm)，圆形用于大直径的壳体。（ 2）缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口7装设缓（ 3）导流筒壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间 ( 死角 ) ，为了提 高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。(4 ）放气孔、排液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。（5）接管尺寸换热器中流体进、出口的接管直径由计算得出。最后材料选用：列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下

16、降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前, 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。这里选用的材料为碳钢。4设计计算4.1 确定设计方案4.1.1选择换热器的类型因为， Q1Q2q Cp 1Tqm2 C p 2T2所以，m11=70002.48103195 T 280000 2.20 10375 3036003600T2 149.4两流体温度变化情况：热流体（柴油）进口温度195，出口温度 149.4 ；冷流体（原油）进口温度 30，出口温度 75。该换热器用柴油预热

17、原油，为易结垢的流体。该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。84.1.2流动空间及流速的测定为减少热损失和充分利用柴油的热量，采用柴油走管程，原油走壳程。选用 25 2.5mm的碳钢管，根据表三管内流速取ui =1.0m/s 。 .4.2 确定物性数据根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。柴油的有关物性数据如下：密度1 715kg / m3定压比热容 c p12.48kJ /( kg ）导热系数10.133W /(m ）黏度10.6410 3 Pas原油的物性数据：密度2815kg / m3定压比热容cp 22.20kJ /(kg ）导热系数20.12

18、8W /( m ）黏度23.010 3 Pas W4.3 计算总传热系数4.3.1热流量700002.48103195149.46WQ qm1C pT136002.211094.3.2 平均传热温差t1 t 2120119.4119.76tm120t1lnln119.4t 24.3.3 总传热系数 K管程传热系数Red1u1 10.021.07152.2310 416.410 4d1 u10. 8c p0.40.0231111d1110.1332.4810 36.41040.40.0231040.82.230.1330.020970W / m 2 壳程传热系数假设壳程的传热系数2540W /

19、m2污垢热阻Rd1Rd 21.72 10 4 m2 / W管壁的导热系数45W / m K1d 2d 2 bd 21Rd1Rd 21d1d1d m210.0251.721040.0250.00250.0251.7210419700.0200.020450.0225540278.6W / m2 104.4 计算传热面积Q2.26102S278.666.2 mK tm119.762考虑 15%的面积裕度，SS 1.15 76 m4.5 工艺结构尺寸4.5.1管径和管内流速选用252.5 传热管 ( 碳钢 ), 取管内流速 u11.0m / s4.5.2管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传

20、热管数nsV7000071536002u85.99 86根4 d10.7850.022 1.0按单程管计算 , 所需的传热管长度为LS7611.257 12m23.14 0.025d ns86按单程管设计 , 传热管过程 , 宜采用多管程结构。现取传热管长 l6m ，则该换热器管程程数为NpL122l6传热管总根数 NnsNp862 172根4.5.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R 195 149.4 1.0175 30117530P0.2719530按单壳程 , 4 管程结构 , 温差校正系数应查附图六对数平均温度校正系数t 。可得t 0.98平均传热温差tmt tm 0.

21、98 119.26 116.87 4.5.4传热管排列和分程方法采用组合排列法 , 即每程内均按正三角排列, 隔板两恻采用正方形排列. 取管心距t1.25d2 , 则t1.252531.2532mmts622mm管间距2横过管束中心线的管数nc1.19N1.19 17215.616根4.5.5壳体内径采用多管程结构 , 取管板利用率0.6 , 则壳体内径为D1.05tN1.0532 172 0.6568.9600mm圆整可取 D600mm4.5.6折流板采用弓形折流板 , 取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高12度为h0.25600150mm取折流板间距B=0.5D，则 B

22、0.5 600 300mm折流板数传热管长16000 1 19 块NB折流板间距300折流板圆缺面水平装配。4.5.7接管壳程流体进出口接管 : 取接管内流速为 u1.0m / s ，则接管内径为4V480000 3600815d3.14 1.00.186mu取标准管径为 200mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u 1m / s ，则接管内径为4V470000 36007150.186md3.14 1.0u取标准管径为 200mm。4.6 换热器核算4.6.1热量核算4.6.1.1壳程对流传热系数对圆缺形折流板 , 可采用克恩公式0.142 0.36 2Re02.55 Pr1 32d

23、 ew13当量直径 , 由正方形排列得d e4 t 24d2240.03220.7850.0252d20.027(m)3.14 0.025壳程流通截面积S0 BD 1d 20.15 0.60 10.025t0.020m0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为800003600815u20.0390.7 m s0.0270.7815Re00.0033135普兰特准数2.2010 3310 3Pr0.12851.560.14粘度校正1.05w2 0.360.128(3.96 10 3 ) 0.5551.561 31.05 626W / m2 0.0274.6.1.2管程对流传热系数1 0.023 1

24、 Re0.8 Pr0 .3 d1管程流通截面积S10.785217220.0220.027 m管程流体流速及其雷诺数分别为u170000 36007151.0070.027140.0201.0077152.254Re100.00064普兰特准数2.481030.64103Pr0.13311.91 0.0230.133(2.2610 4 )0.811.90.3980W / m 2 0.024.6.1.3传热系数 KK1d 2bd 21d21d1Rd1 d1dmRd 2210.0250.000172 0.0250.00250.0250.00017219800.0200.020450.0225626

25、303W / m2 4.6.1.4传热面积 SQ2.26102Stm 303116.8766.2mK该换热器的实际传热面积 Spnc 3.142Spd 2 L N0.025 6 172 16 73.5m该换热器的面积裕度为HSp S 10073.5 66.2100S66.218.5 传热面积裕度大 , 符合要求 15-20 ，该换热器能够完成生产任务。154.6.2换热器内流体的流动阻力4.6.2.1管程流动阻力P1P1P2 Ft N s N pN s1 ,Np2 ,Ft1.4P1lu 2P2u21 d2,20.01由 Re2.2540.00510，传热管相对粗糙度 20，查图摩擦系数与雷诺准

26、数及相 对粗 糙度 的关 系得10.030W m ，流 速 u11.007m s ，715kg / m3所以p10.03061.00727150.0223301pa2715 1.0072p2u131100 pa22p1330111001.4212324.40.35pa10管程流动阻力在允许范围之内。4.6.2.2壳程阻力P2P1 P2 Ft N sN s1Ft1.15流体流经管束的阻力P1Ff 2 nc N B 1uo22F0.4f 250. 2280.7128513516nc16NB19 ， u2 0.78150.72p117307 pa0.4 0.7128 19 162流体流过折流板缺口的

27、阻力P2N B 3.52Bu22D2B=0.3m，D=0.60m20.38150.72p2 199484 pa3.50.62总阻力p217307 94841.1529453 pa 0.35pa10壳程流动阻力也比较适宜。4.6.2.3换热器主要结构尺寸和计算结果表 1 冷热流体物性数据表物料名操作压操作温度污垢系数导热系数比热流体密度粘度称柴油0.03195/149.40.0001720.1332 487150.00064.4原油0.0330/750.0001720.1282.208150.00300表 2 工艺设备尺寸表换热器换热管子规格管数管长管间距排列折流间切口壳体内径型式面积错误！方式

28、板型距高度错误！未找/ 错未找式错到引用源。误！到引误！未找用源。未到引找17用到源。引用源。浮头式76172600022正方上下300150600式形表 3 管口表符号尺寸用途连接aDN150柴油入口凹凸面bDN150柴油出口凹凸面cDN150原油入口凹凸面dDN150原油出口凹凸面5. 参考文献 1柴诚敬 , 张国亮等化工流体流动与传热 M 北京：化学工业出版社 2余国琮等化工容器及设备 M 北京：化学工业出版社， 1980 3匡国柱，史启才化工单元过程及设备课程设计 M 北京：化学工业出版社，2002 4化工设备技术全书编委会 换热器设计 M 上海：上海科学技术出版社， 1988 5徐中

29、全译，尾花英郎著 热交换器设计手册 M 北京：石油工业出版社， 1982 6卓震主化工容器及设备 M 北京：中国石化出版社， 1998 7潘继红等管壳式换热器的分析与计算 M 北京：科学出版社， 1996 8朱聘冠换热原理及计算 M 北京：清华大学出版社， 1987 9大连理工大学化工原理（上册） M 大连：大连理工大学出版社， 1993 10兰州石油机械研究所换热器（上册 M ）北京：中国石化出版社， 1992 11时均等化学工程手册（第二版，上卷） M 北京：化学工业出版社， 1996186. 附录表一流体的污垢热阻表二流体的污垢热阻表三换热器常用流速范围19表四合理压降的选取图五对数平均温差校正系数图六对数平均温差校正系数20表七流体相变对流传热系数图八莫狄图21表九液体无相变对流传热系数2223符号说